Герметичный поршневой насос Советский патент 1993 года по МПК F04B49/02 F04B21/02 

&Ц 17 W ю фс,&1

15

Изобретение относится к насосостро- ению, а точнее к герметичным насосам, предназначенным для перекачивания агрессивных, токсичных и других жидкостей в гидросистемах и стабилизации в них давле- . ния.

Известен герметичный поршневой насос, содержащий размещенные в цилиндре шток с основным и дополнительным поршнями, в первом из которых установлен всасывающий клапан, включающий едло в теле поршня и нагруженный пружиной затвор с хвостовиком, обращенным в сторону штока, герметизирующую мембрану, установленную между цилиндром и штоком с образованием в совокупности с основным и дополнительным поршнями мембранной, всасывающей и рабочей камер, причем дополнительный поршень имеет отверстия для соединения мембранной и всасывающей камер 1.

При работе такого насоса происходит периодическое изменение объема мембранной камеры, что приводит к появлению в каналах дополнительного поршня переменного по направлению течения жидкости. В результате этого давление в мембранной камере по сравнению с давлением во всасывающей камере увеличивается при всасывании и уменьшается при нагнетании, Этим при определенном соотношении площадей основного поршня, дополнительного поршня и герметизирующей мембраны достигается коррекция перепада давления на герметизирующей мембране. В результате такой коррекции обеспечивается постоян- ство направления перепада давления на герметизирующей мембране и устанавливается значение этого перепада, наиболее благоприятное для работы герметизирующей мембраны. Однако при ограничении давления в гидросистеме за счет перепуска жидкости из рабочей камеры во всасывающую камеру при перенагрузке-по давлению не позволяет обеспечить надежную работу герметизирующей мембраны. Это объясняется следующим. Во время всасывания расход QK в каналах дополнительного поршня описывается уравнением:

QK -vB(Fi- F2),

где VB - скорость штока во-время всасывания;

FI - эффективная площадь герметизирующей мембраны с учетом площади ее жесткого центра;

Fa - площадь дополнительного поршня.

Расход жидкости Q8 во всасывающей линии во время всасывания:

Qe vBF3 - vB(F3 - Fa) - QK,(2)

где РЗ- площадь основного поршня насоса. Давление Рм в мембранной камере на- coca во время всасывания:

PM Po-pvB2(GeFi2 GK(F2- -Fi)/F2-Fi/),(3)

где Ро - давление окружающей среды и давление на входе во всасывающую линию;

р- плотность жидкости;

GB - гидравлическое сопротивление всасывающей линии;

GK - гидравлическое сопротивление каналов в дополнительном поршне.

При нагнетании расходы QK и QB определяются зависимостями:

QK vH(F2 - FI); (4)

Qe Ун(Р3 - F2) + QK,

(5)

где VH - скорость ; штока во время нагнетания.

Давление в мембранной камере во время нагнетания:

РМ - РО -р vH2(GB(F3 - FD/-FS - FI/ +.

VG«(F2-Fi)/F2-Fi/).(6)

При : повышенном давлении в гидросистеме во время перепуска жидкости из ра- бочей камеры во всасывающую линию уравнение (4) сохраняет справедливость, а расход во всасывающей линии опишется уравнением:

40 Qe уй(Рз - F2) + QK -

(7)

Давление Рм при этом определится по уравнению:

45 рм р0 + р vH2(GaFi2 - GK(F2 -Fi)/F2-Fi/.(8)

Анализ уравнений (3), (6), (8) показывает, 50 что условия постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране для номинального режима работы имеет вид: . .

55 S gn G8Fi2-GK(F2 .TFi)/F2-Fi /l (F3 - Fi)/F3 - FI/ + GK(F2 -Fi)/F2-Fi/.(9)

а для работы при недопустимом повышении давления в гидросистеме:

S gn GBFi2 -G(F2 - Fi)/F2 - Fi/ - -Sign GflFi2 - GK(F2 - Fi)/F2 - FT/.

(Ю)

Условие (9) соответствует условию постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране и может быть реализовано при .определенных соотношениях параметров FI, Fa, Рз, GB, GK. Условие (10) реализовано быть не может, Таким образом, устройство (1) не позволяет обеспечить коррекцию перепада давления на герметизирующей мембране при ограничении давления в гидросистеме за счет перепуска жидкости из рабочей камеры во всасывающую линию. Это приводит к смятию герметизирующей мембраны и перетиранию ее материала на складках, что приводит к снижению надежности насоса.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей насоса путем обеспечения возможности ограничения давления, развиваемого насосом, и повышении надежности путем обеспечения постоянства направления действующего на мембрану давления.

Указанная цель достигается тем, что основной поршень установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно штока, седло всасывающего клапана обращено в сторону,штока для об- .разования в совокупности с нагруженным пружиной затвором устройства ограничения давления, хвостовик затвора снабжен упором для взаимодействия со.штоком на такте всасывания, шток со стороны всасывающей камеры снабжен каналом для дополнительного сообщения мембранной и всасывающей камер, при этом вход в канал штока и хвостовик затвора всасывающего клапана снабжены обращенными друг к другу уплотнительными поясками для образования между ними.дросселирующей щели при срабатывании устройства ограничения давления.

Существенные отличия предлагаемого устройства заключаются в следующем.

Выполнение основного поршня с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно штока обеспечивает возможность принудительного открытия установленного в нем всасывающего клапана во время всасывания.

Выполнение седла всасывающего клапана обращенным в сторону штока позволяет использовать затвор всасывающего клапана как чувствительный элемент устройства .ограничения давления в рабочей камере.

Выполнение на хвостовике затвора вса- сыв.ающего клапана упора для взаимодейст5 вия со штоком обеспечивает смещение затвора относительно поршня во время всасывания и разгерметизацию стыка между затвором и седлом.

Наличие канала в штоке обеспечивает

0 возможность изменения общего сопротивления каналов, соединяющих всасывающую и мембранную камеры.

Наличие уплотнительного пояска на входе в канал в штоке обеспечивает возмож5 ность перекрытия этого канала при смещении затвора всасывающего клапана в сторону мембранной камеры.

Наличие .уплотнительного пояска на хвостовике затвора всасывающего клапана

0 со стороны, обращенного к уплотнительно- му пояску на входе в канал в штоке, позволяет использовать затвор всасывающего клапана для перекрытия дополнительного канала.

5 Совокупность перечисленных признаков позволяет расширить функциональные возможности насоса, а именно обеспечить ограничение предельного давления в гидросистеме, и повысить надежность насоса.

0Совокупность этих признаков позволяет получить новое свойство обьекта, а именно расширить функциональные возможности насоса путем обеспечения воз-- можности ограничения давления и

5 повысить надежность насоса. Ограничение

давления достигается за счет смещения затвора всасывающего клапана в сторону штока при недопустимом повышении давления в рабочей камере насоса, что приводит

0 к разгерметизации рабочей камеры и перепуску жидкости на всасывание. Надежность насоса повышается за счет обеспечения постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране как при ра5 боте насоса в номинальном режиме, так и при перепуске жидкости из рабочей камеры насоса при недопустимом повышении давления. Этот эффект достигается следующим образом. При смещении затвора всасываю0 щего клапана, происходящее во время перепуска жидкости из рабочей камеры, увеличивается общее сопротивление ка- налов, соединяющих всасывающую и .мембранную камеры, что позволяет ком5 пенсировать повышениедавления во всасывающей камере и сохранить постоянстве

направления перепада давления на герметизирующей мембране.

На фиг. 1 и 2 представлены конструктивные схемы предлагаемого масосэ.

Насос на фиг. 1 имеет цилиндр 1, в ко- тором размещены шток 2, подвижный относительно штока 2 основной поршень 3 с ограничителями 4 и 5 перемещения относительно штока 2, герметизирующая мембра- на б, установленная между цилиндром 1 и штоком 2. На штоке 2 между основным поршнем 3 и герметизирующей мембраной б выполнен дополнительный поршень 7, делящий штоковую. полость насоса на всасы- вающую камеру 8, сообщающуюся с всасывающей линией 9, и мембранную камеру 10. Мембранная камера Юсообщается с всасывающей камерой 8 посредством каналов 11, выполненных в дополнительном поршне 7. В основном поршне установлен всасывающий клапан, седло 12 которого обращено з сторону мембранной камеры 10, а затвор ,13 имеет на хвостовике 14 упор 15 для ограничения его перемещения относи- тельно штока 2 в сторону рабочей камеры 16. Между штоком 2 и затвором 13 всасывающего клапана установлена пружина сжа- .тия 17. На хвостовике 1.4 затвора 13 всасывающего клапана выполнен уплотни- тельный поясок 18, обращенный в сторону мембранной камеры 10. В штоке выполнен канал 19 для дополнительного сообщения всасывающей 8 и мембранной 10 камер, который имеет со стороны всасывающей камеры 8 уплотнительный поясок 20, обра- . щенный в сторону рабочей камеры и обра- зующий дросселирующую щель совместно с уплотнительным пояском 18.. .

Работа насоса происходит следующим образом.

При работе насоса в номинальном режиме шток 2 совместно с основным поршнем 3 совершает в цилиндре воз- вратно-поступтательное движение, благо- даря чему происходит изменение объема рабочей камеры 16 насоса и перекачивание жидкости. При этом имеет место циклическое изменение объема мембранной камеры 10; вызывающее переменное по направлению течение жидкости в каналах 11 и 19.

Во время всасывания основной поршень 3 смещен .относительно штока 2 в крайнее по направлению к рабочей камере 1 б положение, в результате чего его ограничитель 4 упирается в шток 2, а пружина 17 прижимаетупор 15 затвора 13 всасывающего клапана к штоку 2. При этом между седлом 12 и затвором 13 .всасывающего клапана имеется щель, через которую жидкость поступает за рабочую камеру 16. Расход жидкости, перетекающий из мембранной камеры 10 во всасывающую камеру 8 определяется по уравнению (1). а расход

жидкости во всасывающей линии 9 - по уравнению (2). Тогда давление в мембранной камере 10 во время всасывания имеет вид:

PM Po-/ove2(GBFi2-GKi(F2- -Fi)/F2-Fi/),. (11)

где GKI - общее гидравлическое сопротивление каналов 11 и 18 в штоке 2 во время всасывания.

. Во время нагнетания основной поршень 3 смещен относительно штока 2 в крайнее по направлению к мембранной камере 10 положение, в результате чего его ограничитель 5 упирается в шток 2, а пружина 17 прижимает затвор 13 всасывающего клапана к седлу 12. Зазор между уплотни- тельными поясками 18 и 20 уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления образованной ими дросселирующей щели и, следовательно, к увеличению общего сопротивления каналов 12 и 19. Расход жидкости, перетекающей из всасывающей камеры 8 в мембранную камеру 10 определяется по уравнению (4), а расход жидкости во всасывающей линии - по уравнению (5). Давление в мембранной камере во время нагнетания:

. Рм .Ро - р VH2(G8(F3 - Ftj/Рз -Fi/ +.

+ GK(F2-Fi)/F2-Fi/),

(12)

где Gx2 - общее гидравлическое сопротивление каналов 11 и 19 в штоке 2 во время нагнетания, .

Из (11) и (12) можно получить условие постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране 6 при работе насоса в номинальном режиме:

Slgn GBFi2 - GKT(FZ - Fi)/F2 - Fi/. ,

. (F3- Fi)/F3 - Fi/ + + GK2(F2-Fi)/F2.-Fi/.

03)

При недопустимом повышении давления во время нагнетания затвор 13 всасывающего клапана смещается относительно поршня 3 в сторону мембранной камеры 10, преодолевая усилие пружины 17. Между затвором 13 и седлом 12 образуется дросселирующая щель, через которую жидкость перепускается из рабочей камеры 16 во всасывающую линию 9. Смещение затвора 13 всасывающего клапана относительно основного поршня 3 приводит к дополнительному уменьшению зазора между уплотни- тельными поясками 18 и 20 и увеличению сопротивления образованного ими дросселя. По мере повышения давления в гидросистеме указанное смещение затвора 13 увеличивается, что сопровождается увеличением сопротивления дросселирующей щели между уплотнительными поясками 18 и 20 и увеличением расхода жидкости, перепускаемой из рабочей камеры 16 во всасывающую линию 9. При полном перепуске жидкости и з рабочей камеры 16 расход жидкости в каналах 11 и 19 определяется по уравнению (4), а расход жидкости во всасывающей линии 9 - по уравнению (7). Давление в мембранной камере 10 при этом описывается уравнением:

Рм Ро + р vH2(GBFi2 - Скз(Р2 - -Fi)/F2-Fi/).

(14)

где СкЗ - общее гидравлическое сопротивление каналов 11 и 19 в штоке 2 при полном перепуске жидкости из рабочей камеры 16 во время нагнетания. .

Следует отметить, что. при перепуске жидкости из рабочей камеры 16 возможной полное перекрытие канала 1-9 уплотнительными поясками 18 и 20. При этом является сопротивлением каналов 11 в дополнительном поршне 7.

Из (11) и (1.4) можно получить условие постоянства направления перепада давления на герметизирующей мембране б при полном перепуске жидкости из рабочей камеры 16 во время нагнетания:

Slgn GeFi2-GKi(F2-Fi)/F2-Fi/

- - Slgn GBFi2 - GK3(F2 - Fi)/F2 - Fi/.

(15)

1 Анализ уравнений (13) и (15) показывает, что существуют области соотношения, параметров Fi, F2l Рз, GB, , GK2, GK3, в которых обеспечивается постоянство направления перепада давления на герметизирующей мембране 6. Это имеет место при Fi F2, Fi Рз, если

х(+1Г . Ь8

а при Fi F2, Fi Рз. если

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

При Fi F2 условие (15) не выполняется.

Насос на фиг. 2 Отличается от насоса на фиг. 1 тем, что ограничитель 4 ограничивает перемещение основного поршня 3 относительно затвора 13 в сторону рабочей камеры 16. Обозначения на фиг, 2 соответствуют обозначениям на фиг. 1.

Работа насоса на фиг. 2 отличается от работы насоса на фиг. 1 тем, что во время всасывания основной поршень 3 упирается ограничителем 4 в затвор 13, который в свою очередь посредством упора 15 взаимодей- .ствует со штоком 2. Таким образом, затвор 13 всасывающего клапана насоса по фиг..2 дополнительно выполняет функцию односторонней кинематической связи между;:; штоком 2 и основным поршнем 3. В остальном работа насоса на фиг. 2 соответствует работе насоса на фиг. 1, а все полученные для насоса на фиг. 1 зависимости сохраняют справедливость и для насоса на фиг. 1.

Предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности устройства (1) путем обеспечения возможности ограничения давления в гидросистеме,- а также повысить его надежность. Эффект достигается за счет;поддержания постоянного по направлению перепада давления на герметизирующей мембране как при работе в номинальном режиме, так и лри недопустимом повышении давления в гидросистеме, когда из-за перепуска жидкости из рабочей камеры во всасывающую линию повышается давление во всасывающей камере. Постоянный по направлению перепад давления на герметизирующей мембране при любрм режиме работы насоса препятствует смятию мембраны и образованию на ней складок, приводящих к перетиранию ее материала и нарушению герметичности насоса.

Формула изобретения Герметичный поршневой насос, соде- ражщий размещенные в цилиндре шток с основным и дополнительным поршнями, в первом из которых установлен всасывающий клапан, включающий седло в теле поршня и нагруженный пружиной затвор с хвостовиком, обращенным в сторону штока, герметизирующую мембрану, установленную между цилиндром и штоком с образовлнием в совокупности с основным и дополнительным поршнями мембранной всасывающей и рабочей камер, причем дополнительный поршень имеет отверстия для соединения, мембранной и всасывающей камер, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных воз-, можностей путем обеспечения возможности ограничения давления,, развиваемого насосом, и повышения надежности путем обеспечения постоянства направления действующего на мембрану давления, основной поршень установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно штока, седло всасывающего кла0

5

пана обращено в сторону штока для образования в совокупности с нагруженным пружиной затвором устройства ограничения давления, хвостовик затвора снабжен упором для взаимодействия со штоком на такте всасывания, шток со стороны всасывающей камеры снабжен каналом для дополнительного сообщения мембранной и всасывающей камер, а вход в канал штока и хвостовик затвора всасывающего клапана снабжены обращенными один к другому уплотни- тельными поясками для образования между ними дросселирующей щели при срабатывании устройства ограничения давления,

Использование: перекачивание агрессивных, токсичных и тому подобных жидкостей со стабилизацией давления .перекачивания. Сущность изобретения: при работе насоса шток 2 совместно с основным поршнем 3 совершает в цилиндре 1 возвратно-поступательное изменение объема рабочей камеры 16 и перекачивание жидкости, при этом имеет место циклическое изменение объема мембранной камеры 10, что вызывает переменное по направлению течение жидкости в каналах 11 и. 19. В период такта всасывания ограничитель 4 контактирует со штоком 2, а пружина 17 воздействует на упор 15 затвора 13, при этом между седлом 12 и затвором 13 всасывающего клапана имеется щель, через которую жидкость поступает в рабочую камеру. В период такта нагнетания ограничитель 5 поршня 3 контактирует со штоком 2, а пружина 17 прижимает затвор 13 к седлу 12. При недопустимом повышении давления затвор 13, преодолевая усилие пружины 17, смещается относительно поршня 3 в сторону мембранной камеры 10 и между затвором 13 и седлом 12 образуется дросселирующая щель. По мере повышения давления смещение затвора 13 увеличивается, что сопровождается увеличением сопротивления дросселирующей щели между уплотнитель- ными поясками 18 и 20.и увеличением объема жидкости, перепускаемой из рабочей камеры 16 во всасывающую линию 9. 2 ил. (Л С

б Ю 7 11 9 f $ 4 3

1 ---ч - «... -- - - j . .г - .

фиг. 2